家電包裝件跌落試驗(yàn)CAE仿真應(yīng)用

趙新偉

摘要：驗(yàn)證家電產(chǎn)品包裝件可靠性的重要試驗(yàn)之一是自由跌落試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)家電包裝件的跌落試驗(yàn)CAE模擬仿真，可減少試驗(yàn)樣機(jī)數(shù)量、降低試驗(yàn)成本，同時(shí)使瞬間跌落過(guò)程中內(nèi)部部件的應(yīng)力應(yīng)變情況更加直觀。

關(guān)鍵詞：家電；包裝；CAE；仿真；自由跌落試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TB48；TB487 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1400 （2021） 07-0024-07

CAE Drop Test Simulation of Household Appliances

ZHAO Xin-wei（China Packaging Research and Test Center， Tianjin 300457， China）

Abstract： One of important reliability test for household appliance packages is free drop test. There are many advantages testing packages by CAE simulation， such as decreasing experimental prototype， and cutting down experimentation cost. Beside them， CAE test can make the free drop process more visible， especially the stress-strain.

Key words： household applications； package； CAE； simulation； free drop test

近年來(lái)計(jì)算機(jī)輔助工程（computer aided engineering，簡(jiǎn)稱CAE）高速發(fā)展，與現(xiàn)代社會(huì)講求的高效率、高速度、高精度、低成本、高性能觀念保持很高的一致性[1]。目前CAE已廣泛應(yīng)用于航天、航空、汽車、家電、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域[2]，尤其是新品推廣前不可缺少的驗(yàn)證方式。家電行業(yè)知名品牌商都在從技術(shù)、營(yíng)銷等各方面提升自身競(jìng)爭(zhēng)力，與時(shí)俱進(jìn)借助CAE技術(shù)，主要解決產(chǎn)品性能質(zhì)量，進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)性能等方面的分析與優(yōu)化[3]，應(yīng)用于開(kāi)發(fā)新品、提升產(chǎn)品可靠性。作為保護(hù)家電產(chǎn)品、方便其運(yùn)輸?shù)陌b，借助CAE軟件，查找產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與包裝設(shè)計(jì)中的不足之處，降低產(chǎn)品的包裝成本，提高產(chǎn)品包裝質(zhì)量[4]，在開(kāi)發(fā)新品、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、節(jié)省資源等方面也發(fā)揮著很大作用，CAE仿真測(cè)試重復(fù)性好、節(jié)省試驗(yàn)與開(kāi)發(fā)成本等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景可觀。

本文選擇某品牌家電產(chǎn)品包裝件，通過(guò)對(duì)該型號(hào)產(chǎn)品包裝件進(jìn)行包裝優(yōu)化設(shè)計(jì)后，使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬產(chǎn)品包裝件跌落工況，對(duì)比實(shí)驗(yàn)室自由跌落測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證包裝件的可靠性及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 家電產(chǎn)品包裝件簡(jiǎn)介

家電包裝件一般涉及產(chǎn)品、紙箱、緩沖泡沫等，本文中選擇市場(chǎng)貨損率比較高的某品牌家電熱水器進(jìn)行包裝優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真模擬。該型號(hào)熱水器產(chǎn)品通過(guò)上中下三件緩沖泡沫包裝，下泡沫底部加瓦楞紙托，外部用雙瓦楞紙箱通過(guò)打包帶捆扎，整體組成熱水器包裝件。產(chǎn)品原包裝市場(chǎng)貨損率比較高，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試原包裝件發(fā)生貨損，未通過(guò)測(cè)試；通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化緩沖包裝的結(jié)構(gòu)，并對(duì)新結(jié)構(gòu)制作樣件在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比原包裝與改進(jìn)包裝的試驗(yàn)結(jié)果，并用CAE對(duì)原包裝件和改進(jìn)包裝進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬，提升包裝件的可靠性。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和CAE的結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證CAE分析的準(zhǔn)確性。

產(chǎn)品原包裝包含瓦楞紙箱、EPS緩沖泡沫、瓦楞紙托、打包帶、塑料薄膜袋，包裝件信息參考表1。產(chǎn)品的原緩沖泡沫結(jié)構(gòu)如圖1所示，改進(jìn)緩沖泡沫結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 家電產(chǎn)品包裝件實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與CAE仿真

該型號(hào)產(chǎn)品按照其企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的自由跌落部分在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行原包裝件和改進(jìn)包裝件自由跌落測(cè)試，并對(duì)原包裝件和改進(jìn)包裝件進(jìn)行CAE仿真模擬，對(duì)比實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果和CAE分析結(jié)果，驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1 原包裝件實(shí)驗(yàn)室跌落試驗(yàn)

跌落高度：610mm

跌落部位：角跌落

跌落過(guò)程：將包裝件置于叉架跌落試驗(yàn)機(jī)上，升至標(biāo)準(zhǔn)高度，并將包裝件傾斜使一角支撐于跌落機(jī)叉架上，操作設(shè)備使其自由落地，跌落過(guò)程如圖3所示。

原包裝件和改進(jìn)包裝件分別進(jìn)行角跌落自由跌落試驗(yàn)，在試驗(yàn)后進(jìn)行檢查。

原包裝件測(cè)試結(jié)果圖示參考表2，外包裝無(wú)明顯損壞，內(nèi)包裝損傷，底部緩沖泡沫破碎。樣機(jī)底部有凹痕（表中圖上方框標(biāo)示），其他部件均無(wú)破損。

改進(jìn)包裝測(cè)試結(jié)果參考表3，外包裝箱無(wú)明顯破損，底泡沫有少量裂紋，破損不嚴(yán)重。樣機(jī)外觀完好，無(wú)任何破損、變形情況。

2.2 包裝件CAE仿真模型建立

本文用Hypermesh和ABAQUS兩種軟件進(jìn)行有限元模擬仿真，在Hypermesh中劃分網(wǎng)格單元后將模型導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行前處理設(shè)置，模型調(diào)試完成后進(jìn)行計(jì)算及后處理。

2.2.1 網(wǎng)格單元模型

Hypermesh劃分網(wǎng)格單元模型如表4所示，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型計(jì)算采用結(jié)構(gòu)有限元軟件abaqus，殼單元采用四邊形縮積分單元S4R，體單元采用C3D8R等單元類型。

2.2.2 模型參數(shù)

模型中各包裝材料參數(shù)參考表5。

2.2.3 相互作用

導(dǎo)入ABAQUS軟件后，模型部件之間相互關(guān)系的建立，充分考慮各部件外形尺寸和彼此之間的連接關(guān)系、材料非線性因素的影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行各工況的計(jì)算分析。計(jì)算模型中，產(chǎn)品不同部件之間螺栓作用利用abaqus軟件中的多點(diǎn)約束施加連接，端蓋卡扣直接通過(guò)接觸的方式來(lái)約束彼此運(yùn)動(dòng)。包裝結(jié)構(gòu)之間以及產(chǎn)品與包裝結(jié)構(gòu)之間設(shè)置接觸，其與地面觸地關(guān)系也采用接觸處理。

2.2.4 邊界條件

計(jì)算模型中，約束地面平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)6個(gè)自由度，熱水器和包裝結(jié)構(gòu)受到重力作用。初始速度按照610mm自由跌落高度計(jì)算，落地瞬時(shí)速度3.46m/s，跌落部位參考表6分別進(jìn)行計(jì)算。跌落模型如圖4所示。

2.3 包裝件CAE仿真結(jié)果

2.3.1 原包裝件自由跌落CAE仿真結(jié)果

在角跌落計(jì)算工況下，瓦楞紙箱發(fā)生塑性變形，最終導(dǎo)致跌落角處部分單元塑性過(guò)大。包裝緩沖結(jié)構(gòu)中承受產(chǎn)品壓力的區(qū)域應(yīng)力比其他部位大，位移卻比其他部位小，發(fā)生較大塑性變形，并伴有單元超過(guò)極限而屈服失效。

跌落角附近產(chǎn)品與EPS接觸部位有應(yīng)力集中分布，但產(chǎn)品桶身外殼及端蓋未發(fā)生塑性變形，內(nèi)部保溫層無(wú)應(yīng)力分布，但局部有塑性應(yīng)變發(fā)生。內(nèi)膽與掛板聯(lián)接部位有應(yīng)力分布，但內(nèi)膽無(wú)應(yīng)變發(fā)生。

通過(guò)對(duì)應(yīng)變應(yīng)力的分析可以看出，在跌落過(guò)程中，包裝自身會(huì)發(fā)生塑性變形和部分區(qū)域失效，產(chǎn)品各部件基本都處于彈性變形階段，局部有塑性應(yīng)變發(fā)生，說(shuō)明緩沖包裝對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)未完全發(fā)揮。

2.3.2 改進(jìn)包裝件自由跌落CAE仿真結(jié)果

在計(jì)算工況下，瓦楞紙箱跌落角部位發(fā)生塑性變形。包裝緩沖結(jié)構(gòu)中承受產(chǎn)品壓力的區(qū)域應(yīng)力比其他部位大，位移卻比其他部位小，下泡沫發(fā)生較大塑性變形，部分單元超過(guò)極限而屈服失效，中上泡沫也有塑性應(yīng)變發(fā)生。

跌落角附近產(chǎn)品與EPS接觸部位有應(yīng)力集中分布，但產(chǎn)品桶身外殼及端蓋未發(fā)生塑性變形，內(nèi)部保溫層無(wú)應(yīng)力分布，也無(wú)塑性應(yīng)變發(fā)生。內(nèi)膽與掛板聯(lián)接部位、加熱棒附近有應(yīng)力分布，但均無(wú)塑性應(yīng)變發(fā)生。

通過(guò)對(duì)應(yīng)變應(yīng)力的分析可以看出，在跌落過(guò)程中，包裝自身會(huì)發(fā)生塑性變形和部分區(qū)域失效，產(chǎn)品各部件基本都處于彈性變形階段，無(wú)塑性應(yīng)變發(fā)生，說(shuō)明緩沖包裝基本發(fā)揮對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)作用。

2.4 CAE仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果對(duì)比

CAE模擬原包裝件和改進(jìn)包裝件自由跌落的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果如表7所示。

1）原包裝件產(chǎn)品桶身及其他內(nèi)部部件跌落部位有108Pa應(yīng)力，同時(shí)有不同程度的應(yīng)變，實(shí)驗(yàn)室角跌落測(cè)試后底部有凹坑；

2）改進(jìn)包裝件應(yīng)力值與原包裝件相近，產(chǎn)品桶身及其他部位應(yīng)變?yōu)?，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果產(chǎn)品表面無(wú)異常。

3）實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果與CAE結(jié)果相一致。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)家電產(chǎn)品（熱水器）原包裝件及改進(jìn)包裝件在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了角部自由跌落測(cè)試，并通過(guò)有限元分析軟件ABAQUS，建立了該型號(hào)熱水器和包裝結(jié)構(gòu)跌落CAE模型，得到包裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后熱水器自由跌落CAE模擬分析計(jì)算后產(chǎn)品和包裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。原包裝件實(shí)驗(yàn)室測(cè)試因底部變形未通過(guò)測(cè)試，CAE模擬分析結(jié)果中也有局部的應(yīng)變，實(shí)際試驗(yàn)與CAE測(cè)試結(jié)果保持一致。分析產(chǎn)品跌落中出現(xiàn)貨損與應(yīng)變的部位，對(duì)緩沖包裝進(jìn)行改進(jìn)后再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證與CAE模擬仿真驗(yàn)證，改進(jìn)后的緩沖包裝件在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中無(wú)貨損發(fā)生，CAE分析結(jié)果也無(wú)應(yīng)變發(fā)生。

原包裝件在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和CAE分析中產(chǎn)品有變形發(fā)生，其包裝結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)作用發(fā)揮不足，進(jìn)一步改進(jìn)包裝結(jié)構(gòu)后，產(chǎn)品無(wú)塑性應(yīng)變發(fā)生，證明了包裝結(jié)構(gòu)良好發(fā)揮了對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)作用，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果與CAE結(jié)果的一致性，證明包裝件CAE建模中緩沖包裝件之間接觸方式設(shè)置以及相互作用的設(shè)置在該模型中是合理的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬立俊，況祺，常春偉，夏凌輝. CAE仿真軟件的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].軍事交通學(xué)院報(bào)，第7卷第3期. 2005年.

[2] 于亞婷，杜平安，王振偉. 有限元法的應(yīng)用現(xiàn)狀研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)第22卷第3期.2005年3月.

[3] 李紹炎. CAE在家電產(chǎn)品研究開(kāi)發(fā)中的作用[J].家用電器科技， 2001.

[4] 馮廣平，張偉祥，黃龍春. 基于CAE的冰箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與外包裝方案優(yōu)化[J].包裝工程，PACKAGING ENGINEERING Vol.24 No5.2003.